专题-句向量（Sentence Embedding）

原始地址：https://github.com/imhuay/Algorithm_Interview_Notes-Chinese/blob/master/B-%E8%87%AA%E7%84%B6%E8%AF%AD%E8%A8%80%E5%A4%84%E7%90%86/B-%E4%B8%93%E9%A2%98-%E5%8F%A5%E5%B5%8C%E5%85%A5.md

 

Reference

• The Current Best of Universal Word Embeddings and Sentence Embeddings

Index

• 基线模型
  • 基于统计的词袋模型（BoW）
  • 基于词向量的词袋模型
    • 均值模型
    • 加权模型
  • 基于 RNN（任务相关）
  • 基于 CNN（任务相关）
• 词袋模型
  • [2018] Power Mean 均值模型
  • [2017] SIF 加权模型
• 无监督模型
  • [2015] Skip-Thought Vector
  • [2018] Quick-Thought Vectors
• 有监督模型
  • [2017] InferSent
  • [2017] Self-Attention
  • [2015] DAN & RecNN
• 多任务学习
  • [2018] 基于多任务的 Sentence Embedding（微软）
  • [2018] Universal Sentence Encoder（谷歌）
• 参考文献

基线模型

基于统计的词袋模型（BoW）

• 单个词的 One-Hot 表示
• 基于频数的词袋模型
• 基于 TF-IDF 的词袋模型
• ...

基于词向量的词袋模型

均值模型

其中 v_i 表示维度为 d 的词向量，均值指的是对所有词向量按位求和后计算每一维的均值，最后 s 的维度与 v 相同。

加权模型

其中 α 可以有不同的选择，但一般应该遵循这样一个准则：越常见的词权重越小

[2017] SIF 加权模型

基于 RNN（任务相关）

• 以最后一个隐状态作为整个句子的 Embedding

  

• 基于 RNN 的 Sentence Embedding 往往用于特定的有监督任务中，缺乏可迁移性，在新的任务中需要重新训练；

• 此外，由于 RNN 难以并行训练的缺陷，导致开销较大。

基于 CNN（任务相关）

• 卷积的优势在于提取局部特征，利用 CNN 可以提取句子中类似 n-gram 的局部信息；

• 通过整合不同大小的 n-gram 特征作为整个句子的表示。

  

词袋模型

[2018] Power Mean 均值模型

[4]

• 本文是均值模型的一种推广；通过引入“幂均值”（Power Mean）来捕捉序列中的其他信息；

• 记句子 s=(x_1, x_2, ..., x_n)

  

  • x_i 为每个词的词向量，维度为 d
  • 普通的均值模型即 p=1 时的特例；
  • 特别说明，±∞ 实际上指的是 max/min，而不是绝对值最大/最小

• 本文通过拼接的方式来保留不同 p 的信息

  

  此时，Sentence Embedding 的维度应该是 K * d

• 进一步的，文本还加入了在不同词嵌入空间上的词向量，依然通过拼接的方式保留信息

  • 所谓不同词嵌入空间，指的就是使用不同算法在不同语料上训练得到的词向量

    

    此时，Sentence Embedding 的维度应该是 K * L * d

  • 本文使用了如下 4 种词向量：

    • GloVe embeddings (GV) trained on Common Crawl
    • Word2Vec trained on GoogleNews (GN)
    • Attract-Repel (AR) (Mrksic et al., 2017)
    • MorphSpecialized (MS) (Vulic et al., 2017)

[2017] SIF 加权模型

• 文献 [1] 提出了一个简单但有效的加权词袋模型 SIF (Smooth Inverse Frequency)，其性能超过了简单的 RNN/CNN 模型

• SIF 的计算分为两步：
  1） 对句子中的每个词向量，乘以一个权重 a/(a+p_w)，其中 a 是一个常数（原文取 0.0001），p_w 为该词的词频；对于出现频率越高的词，其权重越小；
  2） 计算句向量矩阵的第一个主成分 u，让每个句向量减去它在 u 上的投影（类似 PCA）；

• 完整算法描述

  

无监督模型

[2015] Skip-Thought Vector

[2]

• 类似 Word2Vec/语言模型 的思想，Sentence Embedding 作为模型的副产品。

• 给定一个三元组 s_{i-1}, s_i, s_{i+1} 表示 3 个连续的句子。

• 模型使用 Encoder-Decoder 框架；

• 训练时，由 Encoder 对 s_i 进行编码；然后分别使用两个 Decoder 生成前一句 s_{i-1} 和下一句 s_{i+1}

  

  • Encoder（GRU）

    

  • Decoder（带窥孔的 GRU）

    

    其中 h_i 为 Encoder 的输出，即表示 s_i 的 Sentence Embedding

  • Decoder 可以看作是以 Encoder 输出为条件的神经语言模型

    

    语言模型，v 表示词向量

  • 目标函数

    

• OOV 词的处理 TODO

[2018] Quick-Thought Vectors

[4]

• 本文是基于 Skip-Thought Vector 的改进

• Skip-Thought Vector 中给出前一句生成上一句和下一句的任务，被重新描述为一个分类任务：Decoder 作为分类器从一组候选句子中选择正确的上一个/下一个句子。

  • 生成模型（Skip-Thought Vector）

    

  • 分类模型（Quick-Thought Vectors）

    

• 该模型的一个主要优点是训练速度比 Skip-Thought Vector 快，后者需要训练 3 个 RNN 模块。

• 一些细节：

  • batch size = 400，即一个 batch 为 400 个连续的句子；
  • context size = 3，即对给定句子，预测其上一句和下一句；
  • 负采样：同一 batch 中除上下文句子，均作为 负例；
  • 开始训练时，词向量被初始化为 [-0.1, 0.1]，没有使用预训练的词向量；

有监督模型

[2017] InferSent

[5]

• 本文使用有监督的方法，在自然语言推理（NLI）数据集上训练 Sentence Embedding；

• 本文认为从 NLI 数据集（比如 SNLI）中训练得到的句向量也适合迁移到其他 NLP 任务中。

  • 就像在各种 CV 任务中使用基于 ImageNet 的模型（VGG, ResNet 等）来得到图像特征一样，在处理 NLP 任务之前可以先使用本文公开的模型来计算句子的特征。

• 基本模型

  • 在 NLI 任务中，每个样本由三个元素构成 (u, v, l)——其中 u 表示前提（premise），v 表示假设（hypothesis），l 为类标（entailment 1, contradiction 2, neutral 3）
  • 本文比较了 7 种编码器：1）LSTM, 2）GRU, 3）bi-GRU, 4）bi-LSTM(mean pooling), 5）bi-LSTM(max pooling), 6）self-attention, 7）CNN

  

  • 注意：在 NLI 数据集中，句子 u 和 v 的地位不是等价的

[2017] Self-Attention

[3]

• 本文提出使用二维矩阵作为句子表征，矩阵的行表示在句子不同位置的关注度，以解决句子被压缩成一维向量时的信息损失。

  

[2015] DAN & RecNN

[9]

• 原文模型仅用于分类，但也可用于有监督的学习 Sentence Embedding

  Universal Sentence Encoder（谷歌）

• 基本模型，其中比较常用的是 DAN

  • DAN（Deep Averaging Network）

    

  • RecNN

    

多任务学习

• InferSent 模型的成功，使大家开始探索不同的有监督任务中得到的 Sentence Embedding 在下游任务中的效果。
• 多任务学习试图在一次训练中组合不同的训练目标。

[2018] 基于多任务的 Sentence Embedding（微软）

[6]

• 本文认为为了能够推广到各种不同的任务，需要对同一句话的多个方面进行编码。

• 简单来说，模型同时在多个任务和多个数据源上进行训练，但是共享相同的 Sentence Embedding。

• 任务及数据集包括：

  • Skip-Thought（预测上一句/下一句）——BookCorpus
  • 神经机器翻译（NMT）——En-Fr (WMT14) + En-De (WMT15)
  • 自然语言推理（NLI）——SNLI + MultiNLI
  • Constituency Parsing——PTB + 1-billion word

• 本文模型与 Skip-Thought Vector 基本一致

  • 主要区别在于本文的 Encoder 部分使用的是 Bi-GRU，而 Decoder 部分完全一致；
  • 使用 GRU 而非 LSTM 的原因主要是为了速度；

[2018] Universal Sentence Encoder（谷歌）

[7]

• 本文的目的是动态地适应各种的 NLP 任务，通过在不同的数据集和不同的任务上同时训练。

• 本文使用类似的多任务框架，区别在于使用的 Encoder 不同。

  [2018] 基于多任务的 Sentence Embedding（微软）

• 本文以两种模型作为 Encoder

  • Transformer [8]——更高的精度
  • DAN (Deep Averaging Network) [9]——更快的速度

• 一个可用的预训练版本

  embed = hub.Module("https://tfhub.dev/google/universal-sentence-encoder/2")
  embeddings = embed([
      "The quick brown fox jumps over the lazy dog.",
      "I am a sentence for which I would like to get its embedding"])
  
  sess.run(embeddings)